Параллельное и резервированное функционирование блоков

Параллельное и резервированное функционирование блоков питания
На рынке промышленности все большим спросом пользуется продукция, гарантирующая
100 % надежность (безотказная). В связи с этим становится понятной высокая
потребность в компонентах с резервированием. Что касается блоков питания, их
резервирование имеет несколько специфических аспектов, которые необходимо
учитывать, и не так непосредственно, как утверждают некоторые производители.
Не так…
Для того чтобы создать резервирование, недостаточно просто иметь два обычных блока
питания, работающих параллельно (Рис.1а). При таком типе соединения, если откажет
один из блоков питания, его выходная цепь станет нагрузкой на другой цепи, и может
стать причиной короткого замыкания. Поэтому, организация параллельного
функционирования блоков не обеспечивает целей резервирования, так как не гарантирует
безотказное энергообеспечение.
…а так:
В действительности, для того, чтобы обеспечить надежную работу с резервированием, все
выходы блоков питания должны быть разъединены при помощи диодов (Рис. 1b). В этом
случае, если блок питания отказывает, диоды гарантируют, что с других блоков не будет
поступать энергия.
Рис. 1:Для резервированного функционирования обычные стандартные блоки питания
необходимо разъединить при помощи диодов.
а) Не так..
b)… а так:
При нормальной (одиночной) работе диоды этого типа, помимо дополнительных затрат на
материалы и необходимость дополнительного места (особенно для охлаждения диодов),
становятся причиной ненужных потерь.
Поэтому, до последнего времени стандартные блоки питания не содержали
разъединяющих диодов этого типа. В прошлом единственным способом резервирования
системы питания было применение DIN-реек – особенно для высоких мощностей – с
использованием дорогих комплектующих или (что обычно еще более затратно) методик,
созданных по техническим условиям заказчика.
PULS GmbH, Munich представляет стандартный метод с новыми моделями и
вспомогательным оборудованием к серии Silver-Line, ряд стандартных блоков питания
для монтажа на DIN-рейках. Три блока с интегральным разъединением охватывают
диапазон мощности от 60 до 240 Вт. Для мощностей более высокого уровня существуют
два дополнительных модуля (SLR01 и SLR02), которые делают возможным работу с
резервированием, используя существующие блоки SL20, SL30 и SL40, которые хорошо
представлены на рынке и дают высокий уровень мощности (каждый производит 24-28В
при выходе 20, 30, или 40A соответственно).
Кроме представления резервирования как стандартного экономичного решения для DINрейки, предложение PULS для полного диапазона мощностей – от 60 Вт вплоть до 1000 Вт
– явилось своего рода маленькой сенсацией.
N+M резервирование
Новые блоки представляют особый интерес, так как, кроме способности к
резервированию, они также идеально подходят для использования – одновременно – в
параллельной работе для увеличения мощности. Именно таким образом возможно
упомянутое выше увеличение мощности до 1000 Вт, которое достигается при
параллельной работе нескольких блоков SL40. Такой тип функционирования описывается
как резервирование «N +1» (см. Рис. 2): Сначала параллельно включаются N блоков
(равных), чтобы получить увеличение выходной мощности в N раз. Затем добавляется еще
один блок, который выполняет функции блока замены, который вступает в действие, как
только отказывает один из блоков.
Рис. 2: Резервирование N+M: увеличение мощности и отказоустойчивость одновременно.
Блоки SilverLine обеспечивают резервирование N+M: N блоков для увеличения мощности
+ M блоков для увеличения уровня безопасности. Важный момент – как только начинает
действовать резервирование, все блоки, включая N блоков, используемых для увеличения
мощности, должны быть готовы к резервированию. В действительности, в этом случае
под управлением находится N+M равных блоков, и в тоже время осуществляется
резервирование, так как увеличение энергии происходит не в N+M раз, а только в N.
Увеличение мощности
Параллельное функционирование для увеличения мощности не так легко осуществляется.
Если взять два любых (равных) включенных блока питания, один из блоков всегда будет
работать на максимальном пределе мощности, а второй – на менее чем половине нагрузки.
Это происходит из-за регулирования: блок питания во включенном режиме контролирует
напряжение на выходе и обеспечивает подачу энергии до тех пор пока напряжение не
достигает установленного значения. Два блока питания никогда не обеспечивают
абсолютно одинаковое выходное напряжение. Если они работают параллельно, выходные
значения напряжения окажутся между установленными для блоков значениями. Один
блок питания, таким образом, «видит» значение напряжения, которое слишком низко и
увеличивает мощность, в то время как другой блок всегда видит слишком высокое
напряжение, и снижает мощность. Только когда первый блок питания достигает предела
по току, он снижает свое выходное напряжение; как только достигается установленное
значения второго блока, второй блок питания включается.
Более длительный срок службы благодаря распределению нагрузки
При постоянной перегрузке первый блок питания будет изнашиваться гораздо быстрее и
рано выйдет из строя. Чтобы предотвратить это, работающие параллельно блоки питания
должны всегда распределять между собой нагрузку (это также относится к работе с
резервированием, так как более низкий уровень нагрузки на отдельном блоке увеличивает
срок службы и надежность). Это разделение нагрузки может быть либо пассивным,
посредством характеристической кривой (рабочая точка), либо активным, посредством
линий компенсации (регулировка контроллера при помощи балансировочной линии).
Однако, до сих пор ни тот ни другой метод для стандартных блоков питания не
использовался (выражения «параллельно подключаемые» или «разрешено параллельное
функционирование», означают не то, что блоки распределяют между собой нагрузку, а
что параллельное функционирование не наносит немедленного ущерба блокам питания).
Блоки SilverLine являются исключением:
Небольшие блоки (60–240Вт) поддерживают как работу с разделением нагрузки, так и –
как вариант с резервированием – с пассивным разделением нагрузки (см. рис. 4). Крупные
блоки (480-960 Вт) способны включать и выключать пассивное разделение нагрузки при
помощи переключателя; имеется версия SL40 с активным разделением нагрузки.
Замечание: В статье PULS, озаглавленной «Больше мощности» («More Power»),
доступной на сайте PULS www.pulspower.de, описываются подробности различного
использования активного и пассивного разделения мощности, имеющиеся проблемы
параллельного функционирования, а также предоставлены несколько полезных советов по
компоновке схем.
Рис.4 Резервирование SilverLine: Для требований небольших и средних мощностей
существуют блоки SLR2.5- SLR10 с интегральным резервированным модулем. Для
требований высоких мощностей базовые блоки питания SL20- SL40 комбинируются с
внешними модулями SLR01 или SLR02.
Рис. 3:Блоки SLR2.5, SLR5 и SLR10 с интегральным разъединяющим модулем
(иллюстрация оригинальной конструкции передней панели)
Контакт реле RDY
При резервированном функционировании необходимо отметить еще один важный фактор.
Часто бывает необходимо дистанционно контролировать состояние блока во время
работы. Использовать резервированное функционирование не имеет смысла, так как, если
при отказе блока сигнал об отказе не поступает, блок, соответственно, своевременно не
заменяется, и резервированный блок (или блок, работающий параллельно) в конце концов,
также выходит из строя. По этой причине, все резервированные блоки SilverLine – как
блоки питания, так и разделяющие модули – имеют реле готовности, которое при
нормальном функционировании замыкает контакт. Логический блок контролирует
выходное напряжение (на внешних модулях он контролирует входное напряжение); как
только напряжение падает ниже предельного значения, реле размыкается. На внешних
модулях нижний порог может устанавливаться между 16 и 27В, в то время как обычно
значение (фиксированное) для блоков питания равняется 22В. Внешние модули также
контролируют верхние значения входного напряжения; обычно, если оно превышает 30
В, реле также размыкается.
Резервирование по стандартной цене
Кроме «Резервирования SilverLine», PULS также представляет резервирование для
стандартных блоков питания на DIN-рейке (с соответствующими экономичными ценами).
Блоки SilverLine имеют такие преимущества как терпимость в отношении нагрузки,
электромагнитная совместимость (EMC) первого класса, включая подавление радиопомех
на выходе, металлический корпус, надежный монтаж на DIN-рейке, а также полный пакет
апробации на рынке.
Эти характеристики вместе с требованиями длительного срока службы и надежного
параллельного или резервированного функционирования (комбинированного или
самостоятельного) делают блоки очень привлекательным вариантом выбора.